钙质砂地基桩侧摩阻力影响因素分析.pdf

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1、8 6 价值工程 钙质砂地基桩侧摩阻力影响因素分析 An a l y s i s o n t h e I n fl u e n c i n g Fa c t o r s o f t h e P i l e S h a f t Re s i s t a n c e i n Ca l c a r e o u s S a n d F o u n d a t i o n 白晓字 B a i X i a o y u； 闫楠 Y a n n； 刘新胜 L i u Xi n s h e n g ； 罗萍 L u o P i n g ； 张吉坤 Z h a n g J i k u n ( 青岛理 T大学土木7

2、 - 程学院， 青岛 2 6 6 0 3 3 ) ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， Q i n g d a o T e c h n o l o g i c a l U n i v e r s i t y ， Q i n g d a o 2 6 6 0 3 3 ， C h i n a ) 摘要 ： 钙质砂是一种海洋生物成因的特殊岩土介质 ， 在钙质砂地基 中的桩基工程又很常见。桩侧阻力的研究是桩基承载力性状研究中的一 个重点， 由于受到诸多因素的影响， 桩侧阻力的计算变得十分复杂， 本文通过对桩长、 桩径、 桩周土性质 、 桩

3、端土强度 、 时间长短等诸多影响因素 的讨论 ， 发现不同条件下桩侧阻力的变化具有一定的规律性， 且这些 因素有着相互的联系， 并提 出今后重点研究方向。 Abs t r a c t ：Ca l c a r e o u s s a n d i s a c a u s e o f s p e c i al ma r i n e g e o t e c h ni c al me d i um，p i l e f o u n da t i o n wo r k s are n o t u n c o mmo n i n t h e c alc a r e o u s s a n d S t ud y

4、 o f p i l e s ha f t r e s i s t a n c e i s a k e y p o i n t o f t h e r e s e a r c h o n t he pi l e b e a r i n g pe r f o r ma n c e Be c a us e o f b e i n g i n flu e n c e d b y ma n y f a c t o r s ， t h e c a l c u l a t i o n o f t h e s h a f t r e s i s t a n c e b e c o me a v e r y

5、di f fic u l t p r o b l e m Ac c o r d i n g t o t h e d i s c u s s i o n o f t he i n flu e n c i n g f a c t o r s ， s u c h a s t h e l e n g t h o f t h e pi l e ， t h e r a d i us o f t h e p i l e， t h e f e a t u r e o f t l l e s o i l l a y e r ， t h e s t r e n gth o f t h e p i l e e n

6、d， t h e i n f l u e n c e o f t i me e t c ， t h e y c o n t a c t wi t h e a c h o t he r S o me i mp o r t a n t s t ud y t e n d e n c i e s i n t h e f u t ur e a r e p r o p o s e d 关键词 ： 钙质砂； 侧摩阻力； 桩基； 颗粒破碎 ； 群桩效应 Ke y wo r d s ：c a l c a r e o u s s a nd； s h a f t r e s i s t a n c e ； pi l

7、 e f o u n d a t i o n； g r a i n c r u s h i ng ； e f f i c i e n c y o f p i l e g r o u ps 中图分 类号： T U 4 7 3 文献标识码 ： A 文章编 号： 1 0 0 6 4 3 1 1 ( 2 0 1 0) 1 7 0 0 8 6 0 2 0 前言 珊瑚礁类岩土体包括 珊瑚礁岩 、 钙质砂 、 钙质 土以及珊瑚碎 屑 混淤泥土。其中钙质砂通常是指由海洋生物( 珊瑚、 海藻、 贝壳等) 成 因的、 富含碳酸钙或碳酸镁等物质的特殊岩土介质 1 - 3 1 。由于其沉积 过程大多未经长途搬运，保留

8、了原生生物骨架中的细小孔隙等原 因， 形成 了颗粒多孔 隙、 形状 不规 则、 易破碎 、 粒 间易产生胶结等特 点， 使得其工程力学性质与一般陆相、 海相沉积物相比有较明显的 差异 。 目前国内外有关勘察、 地基 设计 规范中 ， 尚未列 出珊瑚礁 类 作者简 介： 白晓宇 ( 1 9 8 4 一) ， 男， 内蒙古呼和浩特人 ， 硕士研究生 ， 研 究方向为 地基基础。 岩土 。 因此 ， 进行珊瑚礁岩土工程方面的研 究是十分必要和有益的。 1 钙质砂地基 中桩基工程特性 钙质砂中桩基工程特殊性质很 多 ， 概括起来主要为 以下几点4 】 ： 虽然钙质砂内摩擦角较高， 但是打入桩桩侧阻力却

9、很低， 桩端阻 力也较低， 一般认为是有颗粒破碎和胶结作用破坏造成的； 打入 桩桩侧 阻力远低于钻孔灌注桩或沉管灌注桩f 在打入钢管桩壁预 先 设置 喷嘴 ， 钢管桩打 入后再 向桩 内注水泥 浆 ， 浆液通过 喷嘴注入 钙 质砂中而成桩) ； 原位测试数据难以确定桩基承载力， 桩基承载力 往往 受胶 结程度 的影 响较 大 ，即使 同一个地 区也 难以确定地 区经 验 ； 桩侧阻力与钙质砂压缩性有关； 珊瑚礁浅部地层中胶结层 与未胶结层交互出现， 给桩基承载力计算、 工程设计和施工带来很 显示空间的第三维。 3 新现代主义园林简约派 2 0世纪 6 0年代末现代主 义的一分支简约派十分活跃。

10、它 的特点是以尽量简化的形式表现更清晰的意境和更直观 的感受 ， 也 称为极简主义( Mi n i m u m o简约派建筑师的先驱首推包豪斯的支柱 人物密斯 ，他 的 l e s s i s m o r e的设计原则 影响 了很多建筑 师如 飞利 浦 约翰逊、 贝幸铭、 安藤忠雄等， 也影响了园林设计领域对简约风 的探索如彼得 沃克。 密斯最早倾向简约派探索的作品是 1 9 2 4年设计的乡村砖别 墅。 布局紧凑的风车式发散的平面构图容易令 人联 想风格派早期杜 斯伯格的一些平面构成作品。虽然这个方案没有机会实现 ， 但至今 仍被人仰慕并研究。而彼得 沃克的作品同样体现出与风格派画家 的联

11、系 ， 如伯纳特公 园( B u r n e t t P a r k ， 1 9 8 3 ) 的平面 构图和蒙 德里安 的 灰线构成 ( 海牙市立美术馆藏 ， 1 9 1 8) 的相似； 柏林索尼中心广 场( S o n y C e n t e r B e r l i n ， 2 0 0 0) 的布局和包 豪斯 的 N a g y等构成派造型 艺术家三维活动作 品的关系。 4 结语 7 0年代末中国改革开放刚向世界打开一条门缝，劈面而见的 是 “ 现代 建筑死亡 了” 的否定论断 ， 适逢西方后现代主义潮流 的高涨 期而撇下“ 现代主义” 不做研究。 今天的年轻设计工作者倾向追逐当 代流行的后

12、现代主义、 解构主义、 晚期现代主义等新潮流而忽视“ 现 代主义” 文脉关系。在这样的时代背景探讨现代主义语境下的包豪 斯与园林设计的关系是有意义的。 尤其在今天设计专业细化的教育 界 ， 包豪斯的多学科交叉教学的观点仍值得提倡， 包豪斯的与时俱 进积极顺应社会需求的开拓精神仍须要继承。 注释 ： 参见 ： ( 美) E l i z a b e t h B a r l o w R o g e r s 著 ( L a n d s c a p e D e s n A C u l t u r a l a n d A r c h i t e c t u r a l Hi s t o r y ) N Y

13、：Ha r r y N A b r a ms I n c 2 0 0 1 第 2 4页 ： “ a s s t y l i s t i c i mi t a t i o n o f p a s t f o r ms s i mp l y for wi t h wh a t i s v e n e r a b l e a n d v a n i s h i n g ” 即“ 从风格上模 仿过去 的形式仅仅是 为了表达 那个时代的性质 和展示艺术的特征 ， 这可以部 分的解释 1 9世纪初人们普遍 存在 的对工业 时 代的抵触态度。反现代主 义， 企图从对过 去可敬和消失 的事物的联想中珍惜 和获

14、取情感 上的满足” 。另参见 ： 朱建宁编著 情感 的自然英 国传统 园 林艺术 昆明： 云南大学出版社， 1 9 9 9 第 5 2 页： “ 为了批评 当代人在精神上 的堕落 ， 肯特建造 了一座废墟式的 新道德 之庙 ” 。 参见- ( 美) 罗兰 斯特龙伯格著 lJ fl t 成、 赵国新译 西方现代思想史 北 京 ： 中央编译 出版社 ， 1 9 9 1 第 2 3 0 2 3 3页 ： “ 浪漫 主义可 以在 一定程度 上 理解 为对启蒙运动 的一种反抗。 启蒙运动是一场 强大的、 广泛的思想和精 神 运动 ， 但最终耗尽 了人们的支持 ， 引发了一场反革命运动” 。 参见： 王受

15、之著 世界现代设计史 北京： 中国青年出版社 ， 2 0 0 2 第 1 3 4页 ： 包 豪斯“ 集中了 2 0世纪初欧洲各 国对于设计 的新探索与试验成果 ， 特别是荷兰 风格派 运动、 苏联 构成主 义运动 的成果 ， 成 为集欧洲 现代 主义 设计运动 大成 的中 心。” 参考文献 ： 1 ( 日) 针 之谷钟吉著 刍B 洪 灿译 西方造园变迁史 M】 北京 ： 中国建筑 工 业出版社 ， 1 9 9 0 2 陈志华著 北 窗集 M】 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 1 9 9 2 3 何政广主编 世界名画家全集一 蒙德 里安 M】 石家庄 ： 河北教育 出版 社 ， 1 9 9

16、8 4 】 王晓俊编著 西方现代 园林设计 M 南京 ： 东南 大学 出版社 ， 2 0 0 0 5 】 王 向荣 等著 西 方现代景 观设计 的理论 与实践【 M 北 京 ： 中国建筑 工 业出版社 ， 2 0 0 2 6 】 ( 美 ) 莱威等著 王 晓俊译 彼得 沃克一 极简 主义庭 园【 M 南京 ： 东 南大 学出版社 ， 2 0 O 3 7 】 ( 美) 里德， 美国风景园林设计师协会著 陈建业等译 园林景观设计一 从概 念到形式 M 北京 ： 中国建筑 工业出版社 ， 2 0 0 4 8 张智艳 现代抽象艺术的开拓者一 凡 杜斯伯 格 E B OL 设计在 线网 h t t p

17、： www d o l c n c o n dd a t a c n s 一1 a r t i c l e_31 p a p e r_31 1 p g e n_31 1 9， 2 0 0 7 - 0 9 -1 7 9 ( 美 ) 马克特 雷布 编 丁力扬译 现代景观一次批判性地 回顾 M 北 京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 8 1 0 g J 其敏等编著 永远的建筑 大师【 M 华 中科技大学出版社 ， 2 0 0 9 Va l u e Eng i n e e r i ng 榔 荆槲 8 7 大困难。 2 桩侧摩 阻力问题 。 桩侧摩阻力是桩基竖向承载力的重要组成部 分。 在桩基工

18、程 实 践中， 桩侧摩阻力是一个 受到许 多因素影响的复杂 问题。导致如此 低的桩侧 阻力原 因很多 ， 总的来说 有以下四个根本原 因 ： 成桩和 承载过程中，钙质土颗粒破碎导致桩侧土产生较大的体积收缩现 象； 成桩和承载过程中， 胶结作用的破坏； 钙质土颗粒棱角度 大， 而且大小极 不均 匀， 使颗粒问容易生成疏松 的点一点接触 ； 碳 酸盐的可溶解性产生较多的类似溶洞的小孔洞和钙质土独特 的自 然沉积 方式。 3 影响桩侧摩阻力发挥的因素 桩侧摩阻力是桩基竖向承载力的重要组成部分。 在钙质砂桩基 工程 实践 中， 桩侧摩 阻力是一个 受许 多因素影响的复杂 问题。钙质 砂具 有高 的摩擦

19、角 ， 一般 比石英砂高 1 0 。 左右 ， 但没有高 的桩侧摩阻 力值 ， 远小于石英砂 。极低 的桩侧摩 阻力是 钙质 砂工程性质 的主要 特点 之一。 3 1成桩 方法的影响实验表明 ，成桩 方法对钙质砂 承载力性 状 影响较大。 对于一般陆源硅 质砂 ， 打人桩 由于具有挤 出效应 ， 其桩 侧摩阻力往往大于钻 孔灌注桩 ，而 钙质 土 中桩侧 摩阻力则 刚好相 反。 据多个文献报道， 钙质砂中， 打入钢管桩极限摩阻力值 一般在 1 0 4 0 k P a之 间 ，多 为 2 0 k P a以 内 ，而钻 孔灌 注 桩 则 达 1 6 一 2 0 0 k P a ， 若 为胶 结层则

20、有 的高达 3 0 0 4 0 0 k P a 。并且指 出沉 管灌注桩 摩阻力类似钻孔灌注桩 ， 但有施工 方便 ， 造价相对较低等特点。 针对成桩 方法不同桩侧摩阻力相差极大这一 问题 的解释 ， 一般 认为原 因有 以下几个方面。 首先 ， 打人桩打人过程 中， 对桩侧土产生 一 定 的挤压作用 ， 一 方面 由于 侧 向挤压而产 生桩侧土 的压 密 ， 侧 向 压力提高 ， 而另 一方面 ， 也造成 桩侧土结构破坏 、 颗粒破碎或胶 结体 的破坏 ， 导致桩侧土变松， 侧 向压 力减 小。其次 ， 在桩受竖 向荷 载而 产 生相 对位移时 ， 桩侧土 的剪缩 进一步引起桩 侧土体积 收

21、缩 ， 桩 侧 法向压力减小 ， 桩侧阻力降低。 3 _ 2压缩性对侧摩 阻力的影响钙质 砂中桩侧阻力远 小于 石英 砂 中的一个很大因素是砂 的压缩 性不同。试验表明 ， 桩 侧阻力与砂 的压缩指数具有如图 1 所示的双对数曲线关系。石英砂的压缩性 小 ， 侧 阻力较大 ， 而钙质砂的压缩 性大，侧阻力较小。这是 N a u r o y 等人f 1 9 8 3 ) 在钙质砂中模型桩试 验 中得 出的结果。 试 验还 表明 ， 钙 质砂桩侧阻力随砂 的围压增大而 增加缓慢 ，而石英砂桩侧阻力却 增加较快。主要原 因是钙质砂的 压缩性比石英砂 大的缘故 。 3 3桩 的几 何 特 征 的影 响

22、桩的几何 特征 不同 ，桩 侧和 桩端 压缩指数 c 。 图 1 桩侧 阻力与砂的压缩性的关 系 土被影响的范围不同， 桩侧摩阻力的发挥值也不相同。 例如楔形桩， 其桩身侧面在工作中同时处于摩擦力和支承力f 即切向力和法向力) 的受力状 态。 另一 方面 ， 桩的总侧摩阻力与其表面积成正 比， 因此为 了提高桩的承载力， 可以采用较大的比表面积( 即表面积与桩身体 积之比)的桩身几何外形，如三角形、十字形桩等。王新志等人 ( 2 0 0 9) 对钙质砂进行室 内载荷试验研究表 明： 大方板的承载力最大 而相 同面积圆板的承载力最小 ， 小 方板 介于二者之间。相 同底面积 的方形桩 比圆形桩的

23、桩端 承载力更 大 ，因此在地 基承载 力不够 的 情况下可以考虑大截面方桩以使地基承载力满足设计要求。 3 4桩径 的影 响 在般地 层中 ， 对于一般直径 的桩 而言 ， 桩径 对桩侧摩阻力 的影 响是可 以忽略的。但对于直径大于 8 0 0 m m 的大 直径桩就不完全相同了。对于粘 性土中的大直径桩 ， 其桩 侧摩阻力 随桩径的增大变化较小 ， 对于无粘 性的砂类土、 碎石类土中大直径 桩 ，桩侧摩阻力最大值发挥所需要的位移远大于常规直径的桩。 Ma s s a k i r o K o i k e等的试验结果表明， 非粘性土中的桩侧摩阻力存在 着 明显的尺寸效应 ， 这种尺寸效应 源于

24、钻、 挖 孔时侧壁 土 的应 力松 弛。桩径越大、 桩周土层的内聚力越小， 侧阻力降低的就越明显。 3 5桩的刚度系数的影响 郑( 1 9 9 9 ) 的室内对比试验研究表 明： 在同等条件下， 水泥土桩具有高于混凝土桩的侧摩阻力。而实际 工程中水泥土搅拌桩没有表现出高于灌注桩的承载力， 主要是因为 桩身强度低， 水泥土的弹性模量也相对较低， 试桩时容易发生材料 破坏 或桩身压缩 量大导致桩顶沉 降超过 判定 复合地 基承载 力对 应 的沉 降标准 s ： 0 0 4 0 O l b ( b为荷载板 的宽度 ) 。本课题研 究的劲性 搅桩就是利用刚度 系数较大 的混凝 土桩 将荷 载传 递到深

25、部土层 ， 利 用 刚度 系数较低 的水泥土环桩将荷 载扩散至桩侧土 ， 充 分利 用了两 种桩身材料 的强度及其长 处。 3 6桩 端条件 的影响许 多学者 通过对 大量试验 资料 的分析 ， 发现桩端条件不仅对桩端阻力 ， 同时对桩侧摩阻力 的发挥有着直 接 的影响。 桩端阻力的发挥会影响侧摩阻力的发挥， 桩端阻力增大， 桩 侧摩阻力会减小 ， 其原 因 V e s i c曾指 出： 桩端抵抗力 的增 大会 引起 桩 端 以上 附近f 约为三倍桩 径) 土中产生较 大的向外径 向应 力 ， 促使 侧 摩 阻力 降低。 3 7加荷 速率及时间效应 的影 响 对于打 入桩 ，在淤泥质土和 黏土

26、 中通常快速压桩瞬时阻力较小 ， 其后随着土体 固结桩侧 阻力会 增大较 多； 在砂 土中， 快速压桩 由于应 力集 中瞬时摩擦加大 ， 侧 阻也 大， 其后砂土容易松弛。特别是钙质砂存在剪胀效应。 3 8桩顶荷 载水平 的影 响 每层土桩侧摩 阻力的发挥与桩顶荷 载水平 直接相 关， 在桩荷 载水平较低 时 ， 通 常桩顶上层 土的摩阻 力 会得 到发挥 到桩顶荷载 水平较高 时， 桩顶 下层 乃至桩端 处桩周 土 摩擦 力得到发挥 ， 上部 土层 有可能产 生桩土滑移 ( 要视桩 土相对位 移而定 ) ： 随着荷载进一步提高 ， 只有桩端 附近土摩 阻力得到 发挥 及 桩端阻力得到发挥。

27、所 以桩项荷载水平是决定侧阻与端阻相 对比例 关 系的主要 因素之一。 3 9循 环荷载 作用 的影 向 钙质 沉积物 一般分布于 海岸带 、 大 陆架、 浅海珊瑚 礁等地 。服务于 近海石油平台、 港 口建筑、 海洋航标 等工程 设施 的钙质 土中的桩基 必受到各种海洋 动荷载和 机器振动 的作用 ， 这 些动力循环荷 载通过桩基作用 于桩侧土 中 ， 降 低 了桩侧 土 的承载力 。P o u l o s 指 出轴 向循环荷载 导致桩侧摩阻力降低 ， 降低 程度与循环 荷载水平和循环位 移量有关。而 随循环 次数增 加 ， 灌注 桩 比打入桩减 小快。另外 ， 桩顶位移与循环应力水平也有关

28、4 1。 3 1 0钙质砂相对密度 的影响在钙质砂 中， 挤土加密效应并不 明显。对于普通砂土 ， 相对密度 的增加 会导致桩周水平有效应力 的 增加， 从而导致桩侧摩阻力增加； 但对于钙质砂 ， 在相对密度增加的 同时 ，沉桩过程 中的高应力促 使更多 的钙质砂颗粒产 生了破碎 ， 钙 质砂越密， 颗粒破碎越多， 这将导致桩周水平有效应力迅速减小， 在 这两个 因素的相互影 响下 ， 桩 周水平 有效 应力增加有 限， 因此钙质 砂 中桩侧摩 阻力随相 对密度 的变化很 j x I l 3 l 。 4 结论 钙质 砂具 有高孔 隙 比、 高 内摩擦 角、 颗粒 形状 不规则 、 易破 碎 、

29、 颗粒间易胶结 等特殊物理性质 ， 其 中颗粒破碎特 性是 引起 钙质 砂力学性质不同于一般石英砂的主要因素。 极低的打入桩桩侧阻 力是钙质砂 的一 个重 要的工程特性 ，一般认为是 由颗粒棱角度 大、 颗粒破碎和胶结作用破坏造成的。 具体分析了钙质砂桩侧阻力性 状 ， 研究 了桩侧阻力 因素。 桩侧摩阻力的影响 因素很多 ， 这些影响 因 素多是在成桩过程， 超孔隙压力的平衡过程以及桩的承载过程中对 桩 侧阻力产 生影 响的。桩侧 阻力之所以不能很准确地估算 ， 是因为 这些因素往往又 不是独立 的， 而是有着相互 的联 系。注意各影响 因 素 问的联 系对于提高工程用桩 中桩基承 载力有着

30、十分重要 的作用。 对于 影响桩侧 阻力发挥的 因素 如何 量化进行计 算是个 比较复杂 的 问题 ， 还有待进 一步研 究和探讨 。 参考文献 ： 1 MUR F F J D P i l e c a p a c i t y i n c a l c a r e o u s s a n d s J l J o u rna l o f G e o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g ， 1 9 8 7 ， 1 1 3 ( 5 ) ： 4 9 0 5 0 7 2 P O U L O U S H C P i l e b e h a v i o u r t h

31、 e o r y a d G e o t e c h n i q u e ， 1 9 8 9 ， 3 9 ( 3 ) ： 3 6 5 4 1 5 S t a t e o f t h e a r t I 3 J E WE L L R J An i n t r o d u c t i o n t o c a l c a r e o u s s e d i m e n t s C P r o c e e d i n g s o f I n t e r n a t i o n a l S e mi n a r i n Ka g o s h i ma ， Ka g o s h i ma Un i v e

32、 r s i t y Ka g o s h i ma ： B l k e ma ， 1 9 9 3：1 - 4 5 f 4 单 华刚， 汪稔 钙质砂中 的桩基工程研 究进展评述 岩土力学， 2 0 0 0 ， 2 1 ( 3 ) ： 2 9 9 3 0 4 5 】 吴京平， 楼志刚 钙质土的基本特性 第七届土力学及基础工程学术会 议论文集 c 中国建筑工业 出版社， 1 9 9 4 ， 1 0 ： 2 6 7 2 7 1 【 6 R iJ 崇权， 单华阿 I ， 汪稔 钙质5 ： 7程特 性及其桩基工程【 J J 岩土力学与工 程学报 ， 1 9 9 9 1 8 ( 3 ) ： 3 3 1 - 3 3 5